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JP2004531871A - Waveform current collector of internal direct reforming fuel cell - Google Patents

Waveform current collector of internal direct reforming fuel cell Download PDF

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JP2004531871A JP2003509564A JP2003509564A JP2004531871A JP 2004531871 A JP2004531871 A JP 2004531871A JP 2003509564 A JP2003509564 A JP 2003509564A JP 2003509564 A JP2003509564 A JP 2003509564A JP 2004531871 A JP2004531871 A JP 2004531871A
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Abstract

燃料電池を直接内部で改質する波形集電体
波形集電体を有する燃料電池は、波形の連続した空間列を備える。所与の列において、この波形は、当該列に沿って連続した頂上領域と谷領域とを形成している。列から列の対応する頂上領域が固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を形成するように、この波形の空間列が適合している。この波形の空間列には、連続した頂上領域間に所与のピッチが設けられている。また、波形の列は、列から列の対応する頂上領域が当該ピッチの50%以下となる有限のオフセットを有するように構成されている。これによって、列から列へとそれぞれ延長した集電体には、固体触媒エレメントを収容して支持するための複数の通路が形成されることになる。さらに、触媒の方向に基づいて当該触媒エレメントが波形にはめ込まれるよう、当該オフセットが設定される。
A fuel cell having a waveform current collector that directly reforms the fuel cell inside has a space series of continuous waveforms. For a given row, this waveform forms a continuous top and valley region along that row. This corrugated spatial row is adapted so that the corresponding top region of the row forms a passage for receiving and supporting the solid catalyst elements. The corrugated space column is provided with a given pitch between successive top regions. Also, the waveform columns are configured such that the corresponding top region of the columns has a finite offset that is 50% or less of the pitch. As a result, a plurality of passages for accommodating and supporting the solid catalyst elements are formed in the current collectors that are extended from row to row. Further, the offset is set so that the catalyst element is fitted into the waveform based on the direction of the catalyst.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は燃料電池における集電体電極の支持技術に関連する。とりわけ、本発明は、内部において改質を行なう高温用平面燃料電池ための波形集電体に関連する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池は、水素やメタンのような燃料に蓄えられた化学的エネルギーを電気化学反応によって直接的に電気エネルギーへと変換する装置である。燃料電池は、最初に燃料を燃やして熱を生み出し、この熱を力学的エネルギーへと変換し、最後に電気へと変換する伝統的な発電方法とは異なる。燃料電池によって使用されるより直接的な変換処理は、効率の増加と排出物の削減の両面において、伝統的手段よりも顕著にアドバンテージがある。
【0003】
一般に、燃料電池は、バッテリーと同じように、負極(アノード)電極と陽極(カソード)電極とを備え、それらの間は電気的に荷電されたイオンを導通させるために機能する電解質によって分離されている。しかしながら、バッテリーとは対照的に、燃料電池は、燃料と酸化剤をそれぞれアノード及びカソードに供給できる限り、電気を生み出しつづけることができる。これを成し遂げるために、ガスの流通フィールドがアノードとカソードに隣接して設けられ、これを通して燃料と酸化剤が供給される。十分な電力レベルを生み出すためには、相当数の燃料電池を直列に積層(スタック)する必要がある。その際には、電気的に導通性のあるセパレータプレートを各電池の間に設けることになる。
【特許文献1】
米国特許第4,548,876号公報
【特許文献2】
米国特許4,983,472号公報
【特許文献3】
米国特許第5,795,665号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
内部で改質を実行する燃料電池では、水蒸気改質触媒が燃料電池のスタック内に配置されている。これは、高価で複雑な外部改質機器を不要とするためと、燃料電池内で炭化水素燃料(例えばメタン、石炭ガス、その他など)を直接使用できるようにするためである。これまでは、2つの内部改質形式が使用されてきた。その一つである間接内部改質では、スタック内にアイソレートされたチャンバーを配置させ、このチャンバーから各燃料電池のアノード仕切り内へと改質ガスを通流させることによって実現される。もう一つの形式である直接内部改質では、各燃料電池の動作中のアノード仕切り内に改質触媒を配置させることにより実現される。この触媒は、燃料電池の電気化学反応によって生成された蒸気によって燃料ガスを改質する際に役立つもので、非常に高い改質効率と燃料利用率をもたらしてくれる。
【0005】
アノードチェンバーと触媒支持部として使用可能な特定の配置は、多くの理由から重要である。配置は、燃料の通流(フロー)における圧力の低化を最小にするように選択されるべきである。より高い圧力が必要となれば、より補助的な電力が必要となり、システム効率が低下してしまうからである。さらに、多くの燃料電池セルを伴うスタックについては、セルからセルへの通流制限における変動を小さくすることで、同一の燃料フローを各セルが享受できることを保証する。これによって各セルは同一の燃料を利用して動作することになる。燃料電池スタックの効率は、複数のセルのうち最小の燃料を受けるセルによって制限されてしまうため、燃料電池スタックの燃料利用率と電気効率の最大化を達成するためには、燃料の通流を均一にすることが重要である。
【0006】
直接内部改質触媒に関する燃料電池の主な特徴は、セルの耐用年数にある。セルは使用が進むにつれて、通路内の電解質蒸気の汚濁効果によって、アノードチェンバーの改質触媒の活動は低下してゆく。この活動の低下によって、触媒の効率とセル改質効率が低下する。またこれにより、電気化学反応に与えられる改質された燃料は、より少なくなってしまうので、燃料電池の電気効率も低下してしまう。触媒の有効性は改質に作用する触媒の質量に直接的に関連しているため、改質効率とセルの寿命を改善するための一つの方法は、アノードチェンバー内の触媒の質量を増加させることである。
【0007】
燃料電池の燃料及び酸化剤の通流部位を形成するために使用される構成部品の他の重要な特徴は、動作中のセルの構成部品に対して均一な圧力を加える機能にある。均一な圧力は、燃料電池の動作エリアに均一な接触抵抗を保証し、動作中においてセル部品間においてギャップが形成される確率を低減するために重要である。
【0008】
また、直接内部改質触媒は、液体電解質を含む隣接アノードからの電解質漏れから保護されなければならない。触媒を保護する一つの方法は、触媒をシールドすることで、隣接しているアノード構成部品からの電解質の移行のバリヤーとして機能するように、波形の形状をした集電体を設計することである。
【0009】
直接内部改質型の燃料電池用に燃料および酸化剤の通流経路と、触媒の支持部材を提供すべく、燃料電池の製造者らによって、多数の異なる構成部品の配置が提案され、そして使用されてきた。米国特許第4,548,876によれば、この目的のために使用される波形に成形された集電体について記述されている。この876特許の集電体では、微粒子材料が集電体の波形部に配置されるとともに、拡散と支持のために使用されている。微粒子材料は、活動中の電極に隣接している触媒層に面している。微粒子材料は、好ましくは、非導電性のアルミナを材料とするが、触媒層で使用されているものと同じ材料を含んでいてもよい。活動中の電極の相当の部分が微粒子の材料によって遮蔽され、電解質から遮蔽された周囲をガスが通流するように配置が限定されている。
【0010】
米国特許4,983,472によれば、燃料電池のカソード側で使用される格子状パターンで整列された凹部を形成する複数の波形を有した波形集電体が記述されている。この構成は、動作電極にガスをより良く届くようにすることで876特許の集電体が改良されることを示している。しかしながら、この構成では、伸張された固体エレメントの形をした直接内部改質触媒を収容するアノードチェンバーにおいて使用する際に、制限が生じてしまう。格子パターンのために、これらの触媒エレメントは、燃料ガスの通流に対し実質的に直角方向にしか取り付けることができない。これは高い通流制限を招くとともに、セルからセルへの通流制限において大きな変動に影響を受けやすくなってしまう。
【0011】
472特許の集電体において、格子パターンの凹部を使用することのもう一つの欠点は、アノードチェンバーにもカソードチェンバーにも適用する際にも、バイポーラープレートを通して波形の脚が周期的にネスティングするため、より大きな格子パターンの圧縮負荷が燃料電池の動作領域に生じてしまうことである。この不均一な圧力の分布は、燃料電池の接触抵抗に変動を生じさせてしまう。
【0012】
472特許の集電体を使用することによる他の問題点は、通流方向に対して直角に固体触媒エレメントを配置することによって形成される通流経路に関連するものである。その結果の配置は、主要な通流方向に対して平行方向の通流抵抗と、直角方向の通流抵抗とがほぼ同等となることに特徴がある。これは、高い電流を生み出す燃料電池の領域においてガスが発生することを意味し、さらに燃料電池内での混合が横に沿って拡大してゆくことを意味する。しかし、これは、高い電流密度と温度勾配とを燃料電池内にもたらすフレッシュな燃料を、燃料電池内の高い電流の発生領域にさらに供給してしまいがちである。
【0013】
米国特許第5,795,665によれば、固体触媒エレメントを支持し、ガスの通流路を形成するために、セパレータプレートと集電体とを組み合わせた波形集電体の代替案が記述されている。この構成によれば、全ての電池部品が、波形のパターン内に成形され、入れ子構造となる。しかし、結果として、燃料電池部品を成形するには、複雑な作業が必要となってしまう。また、改質触媒エレメント用の空間が制限されてしまう。
【0014】
したがって、本発明の目的は、従来技術に係る設計の欠点を克服した新規な波形集電体を提供することにある。
【0015】
また、本発明の目的は、直接内部改質触媒エレメントを実質的にガスの主要な通流方向に対して実質的に平行に取り付けることを可能ならしめる波形集電体を提供することにある。
【0016】
本発明の他の目的は、固体改質触媒エレメント用に提供される空間を最大にすることを可能ならしめる波形集電体を提供することにある。
【0017】
本発明のさらに他の目的は、燃料電池の動作部品に対してより均一に圧力を分散させることにある。
【0018】
本発明のさらに他の目的は、燃料電池内の電流と温度の分散をより均一にするために、横方向の高い通流抵抗と縦(軸)方向の低い通流抵抗とによって特徴付けられる通流フィールドの配置をもたらす波形集電体を提供することにある。
【0019】
本発明の目的は、直接内部改質固体触媒エレメントを電解質からより良くシールドするとともに、電解質を含む電極からこれらの触媒エレメントを分離した波形集電体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0020】
本発明の原理によれば、上述の目的および他の目的は、間隔を空けて連続して配置された波形列を有する集電体によって実現される。所与の列内の当該波形は、連続した頂上領域と谷領域が所定の列に沿って設けられており、列から列への対応する頂上領域が固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を確立できるように波形の空間列が構成されている。
【0021】
以下に説明される本発明の実施形態において、間隔を空けて配置された波形列については、列内の連続した頂上領域間には所与のピッチが設けられ、また、隣同士の列の頂上領域には、所定のオフセットが設けられるように構成されている。とりわけ、オフセットは有限の値でを有し、ピッチの50パーセント以下となるように選択される。これは固体触媒エレメント用に、複数の通路を確立できるようにするためである。また、オフセットは、触媒エレメントを波形にはめ込むことができるように、触媒の大きさに基づいて選択される。
【0022】
本発明に関する上述の及び他の目的及び観点は添付の図面を参照しつつ詳細な説明を読むことにより、一層明確になろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
図1は、本発明の原理に従った波形に成形された集電体1を示している。図からわかるように、集電体1には、間隔を置いた波形列2−7が含まれている。各々の波形列には、波形の長さ方向に沿って頂上領域Pと谷領域Vとが形成されている。これらは波形列2−7について、それぞれP2ないしP7、V2ないしV7と参照符号が付けられている。
【0024】
所与の波形列内において連続した頂上は、当該列において所定のピッチを定義している。このケースで、各列のピッチはそれぞれ等しく、Ptとする。さらに、波形列2−7のそれぞれは、先行する波形の列および後続の波形の列から有限の量だけオフセットされており、このオフセットは、任意の列とその隣の列とでは反対方向に変わっている。したがって、波形列3は、波形列2から右にオフセットされており、波形列4は、波形列3から左にオフセットされている。また、このケースでは、列から列へのオフセットは全てO(オー)である。
【0025】
本発明の原理によれば、列へのオフセット「O」は、ピッチPtの50%以下となるように選択される。このように選択されたオフセットを用いて、波形列2−7は、通路を定義しており、各通路は、列から列へと延伸しており、さらに、各通路は、固体触媒エレメントを収容して支持するように適合されている。
【0026】
より具体的には、図3に示すように、波形列2−7は通路11−14を定義しており、固体触媒エレメント15をそれぞれ収容して支持する。図3に示されているように、触媒エレメント15は、各波形の通路を形成するセグメントによってかみ合わせられている。触媒エレメント15をはめ込む一連のセグメントは、当該触媒エレメントの長さ方向に渡って延びており、それによって集電体1を介して触媒エレメントを好適に支持している。
【0027】
波形列2−7の長さ方向に対して横切るように延伸させて通路11−14を確立することで、触媒エレメント15を通路にはめ込み、波形の長さ方向に対して横切るように配置させることができる。この触媒エレメント15の配置によって顕著な効果が奏される。すなわち、触媒エレメント15が、内部改質触媒として機能する直接内部改質型燃料電池のアノード側の集電体として当該波形に成形された集電体1を使用する際に、顕著な効果が生じる。
【0028】
とりわけ、そのようなアノード側の集電体として使用されるときに、触媒エレメント15は、燃料ガスの軸通流方向に対して平行するように配置されることになるので、ガスの流路となる自由通流(フリーフロー)エリアを拡大することができる。自由通流エリア16は、図3に示されている。燃料電池の燃料ガスについての通流制限は、ガスによって利用可能な最小の自由通流エリアの関数となる。したがって、従来の波形に成形された集電体の構成に比較すれば、この集電体1の自由通流エリア16は、燃料電池の通流制限を顕著に低下させることができる。
【0029】
これは、集電体1の自由通流エリア16と、472特許において開示された従来タイプの波形集電体の自由通流エリアとを比較することにより理解できよう。図2に示されたそのような従来の波形集電体21は、頂上領域PPと谷領域VVとが格子パターンを形成する波形列22−27を備えている。この格子パターンは、列から列への波形のオフセットO1をピッチPt1の50%に等しくなるように選択した結果である。
【0030】
アノード側の集電体である従来の集電体21を示した図2を見るとわかるように、固体触媒エレメント28は波形列の長さ方向に沿って配置されなければならないので、ガスの通流方向に対して横切るように配置されしまう。これによって、図4に示した従来の集電体21の端部からもわかるように、自由通流エリア29は限定されてしまう。
【0031】
制限された自由通流エリア29のため、従来の集電体21を使用する燃料電池のガスの通流制限は、本発明の集電体1のほぼ4倍にも達する。これは図5に示されている。図5は、従来の集電体21について測定した圧力低下との比較で示された、集電体1について測定された圧力低下を示している。
【0032】
本発明の集電体1は、特定の燃料電池(例えば、インコネル社製のニッケル被覆ステンレス鋼、その他など)と互換性のある適切な素材からなる一枚板から好適に成形することができる。当該素材は、金型での型抜き加工とプレス加工により穿孔加工され、谷領域または脚領域と頂上領域とが成形される。穿孔加工における奥行きは、ガスの通流フィールドの高さを決定する。ガスの通流制限を最小にすべく、ガスの通流軸方向において、当該谷領域によって妨害される断面領域が最小となるように、谷領域の配置が選定される。
【0033】
谷領域と打ち抜かれたパターンのサイズは、圧縮負荷の下で十分な強度をもたらすとともに、活動中の電極へとガスが行き渡るのに十分な面積となるように選択される。谷領域のサイズを特定する際のもう1つの考慮すべき点は、活動中の電極が通流フィールドへと沈下しないよう、当該電極の大きさを余り大きくしないようにすることである。
【0034】
ピッチPtとオフセットOは、上述したようにして選定することで、上述した有利な効果が得られる。さらに、触媒エレメント15の直径上にオフセットOを置くことで、触媒の直径と質量とが最大となり、そにより燃料電池の寿命を最大限にすることができる。上述したように頂上領域は、バイポーラセパレータに対して領域17と触媒エレメント15とをはめ込んで固定し、電極を含む電解質から離すことができるように成形される。
【0035】
従来技術の集電体21の最小限の自由通流エリア29は、触媒の直径の影響を顕著に受ける可能性があるとともに、この直径を製造工場において制御するのは困難となる可能性があり、製造された燃料電池内における従来の集電体21の通流制限の偏差は、深刻なものとなるだろう。本発明の集電体1によれば、最小の自由通流エリア16は、触媒の直径から受ける影響をずっと小さくすることができ、セルからセルへの通流制限における偏差を大幅に低減することができる。
【0036】
図6は、圧力低下の数学モデルにおいて、一般的な分散を有してランダムに選択された値を入力として用いて、多数のセルについての通流制限を予測するためのモンテカルロシミュレーションを実行した結果を示している。本発明の集電体1を使用したセルについて、セルからセルまで通流制限の分散が、従来技術の集電体21を使用したセルよりも5倍から6倍狭いことを、この結果は示している。
【0037】
図7及び図8は、23個の燃料電池スタックについて通流の分散を測定したものであり、一つは本発明に係る集電体1を使用したものであり、他方は、従来技術に係る集電体21を使用したものを示している。これらの結果は、本発明に係る集電体を使用することにより、通流の不均一さを2倍ないし3倍の割合で低減しうることを実験的に証明している。
【0038】
上述したように、波形に成形された集電体1の波形についての列から列へのオフセットOは、有限の値(すなわちピッチPtの0パーセントより大きな値)から、ピッチPtの50パーセント以下の値にまで変化しうる。これは、直径が異なる触媒についても同様である。しかも、オフセットOをピッチの0%とすれば、最大の直径を有する触媒を使用することが可能となるが、これは2つの理由から好ましくはない。第1に、燃料電池のアノード電極の非常に近くに触媒が配置されてしまうので、潜在的に、アノードから直接液体電解質が漏れ及んでしまう可能性がある。第2に、オフセットが0%では、触媒を保持するのに役立っている触媒エレメント15と波形との接触部分が無くなってしまうであろう。
【0039】
本発明の波形に成形された集電体のもう1つの重要な利点は、集電体によって実現される接触の望ましい分散である。図9は、図1の集電体1と類似した構成の集電体91および92を示している。これらはそれぞれ、燃料電池のバイポーラプレート93に係るアノード側とカソード側において使用されるものである。図からもわかるように、アノード側の集電体91は、内部改質用の触媒エレメント94を支持ている。
【0040】
図9からわかるように、集電体91及び92の構成によって、カノード側集電体92の波形列における頂上領域92A、92C、92Eおよび92Gがバイポーラプレート93に接触している場所と位置合わせされた場所において、アノード側集電体91の波形列における谷領域91A、91C、91Eおよび91Gがバイポーラプレート93と接触している。その一方で、カノード側集電体92の波形列における谷領域92B、92D、92Fおよび92Hがバイポーラプレート93に接触している場所とは位置合わせされていない場所において、アノード側集電体91の波形列の谷領域91B、91D、91F及び91Hがバイポーラプレート93と接触している。
【0041】
アノード集電体の波形の谷領域と、カソード集電体の波形の谷領域とが位置合わせされていない後者のエリアにおいて、セパレータプレート93は、構造を柔軟に曲げることを許容している。谷領域が位置合わせされている集電体のエリアにおいて、セパレータ93には圧力がかかり、構造を強固にしている。
【0042】
図10及び図11は、それぞれ、アノード側集電体とカソード側集電体について図2に示した従来の集電体を使用するエリアと比較した場合における本発明に係る集電体についての柔軟なエリアと強固なエリアのパターンを示している。図10から見てわかるように、本発明に係る集電体を使用することによって形成されたパターンは、位置合わせされた点と位置合わせされていない点とが非常に散らばっているので概ね均一であることがわかる。一方で、図11からわかるように、従来の集電体を用いたパターンは、格子パターンがより大きなサイズとなっている。この位置合わせの格子パタ−ンによって、活動中の燃料電池部品に対する高い圧力のエリア(30)と低い圧力のエリア(31)とが大きくなっている。
【0043】
本発明に係る集電体1についての他の有利な点は、ガスの通流方向と実質的に平行に改質触媒を配置できることである。ガスの通流方向に対して触媒を平行に配置することで、横方向の通流制限が、軸方向の通流制限よりもずっと高くなる(図1,3及び4を参照のこと)。しかしながら、通流に対して直角の方向に触媒を配置させることで、横方向の通流制限が軸方向の通流制限とほぼ同一になる(図2,9及び10を参照のこと)。横方向の通流制限の違いによって、本発明に係る集電体を使用する燃料電池の温度勾配は、従来技術に係る集電体を使用する燃料電池の温度勾配と比べて小さくなる。
【0044】
さらに、燃料電池の広い範囲にわたり必然的に電流が不均一になってしまうので、アノードチェンバー内で発生するガスもまた不均一となる。本発明の集電体を使用する燃料電池については、一部において発生したガスが横へと簡単に拡大することはないので、新鮮な燃料が燃料電池内のより電流の少ないエリアへと誘導されることになる。従来技術の集電体を使用した燃料電池では、発生したガスが横に拡大してしまうので、電流の多いエリアに、さらなる新鮮な燃料が供給されてしまい、それによって電流の不均衡が増加してしまうのである。
【0045】
本発明の集電体を使用している燃料電池は、従来技術の集電体を使用している燃料電池よりも温度勾配がより小さいことを示しいている。これは、図12および図13の実験データから理解することができる。これらの図は、本発明の集電体1を使用している30個の燃料電池スタックと、従来技術の集電体21を使用している30個の燃料電池について、それぞれの温度勾配を示したものである。図から見てわかるように、本発明に係る集電体を使用している燃料電池スタックの温度勾配は、最大で70度Cである。一方で、従来技術の集電体を使用している燃料電池スタックは最大で99度Cの温度勾配を有している。動作条件は双方とも同一である。
【0046】
図14は、燃料電池101と102とを含む直接内部改質型燃料電池を示したものである。当該燃料電池101および102は、図9に示したように青ノード集電体91、カソード集電体92、バイポーラプレート93を積層した構成を有している。図からわかるように、各々の燃料電池には、アノード電極111によって成形されたアノードセクションと、アノード集電体91と、バイポーラプレート93とが含まれている。各々の燃料電池は、同様に、カソード電極112を含んだカソードセクションと、カソード集電体92と、バイポーラプレート93とが含まれいている。最終的に、各々の燃料電池には、アノードセクション112とカソードセクション112との間に配置された電解質メンバ113が含まれている。
【0047】
全てのケースにおいて、上述した構成は単に本発明の適用を代表する多数の特定の実施形態を図示したにすぎない。本発明の思想及び範囲から離れることなく、本発明の原理に従って多数の変更した構成を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】図1は、本発明の原理に従って波形に成形された集電体を示す透視図である。
【図2】図2は、’472特許において開示された従来タイプの波形に成形された集電体の透視図である。
【図3】図3は、図1の波形に成形された集電体の端部を示す図である。
【図4】図4は、図2に示した従来の波形に成形された集電体の端部を示す図である。
【図5】図5は、図1の波形に成形された集電体と従来技術とについてガスの流量を関数とした圧力低下の測定値を示す図である。
【図6】図6は、図に示した波形に成形された集電体と図2に示した従来の波形を成形された集電体とをそれぞれ使用した5000個のセルについて通流抵抗の推定分散をプロットした図である。
【図7】図7は、図1の波形に成形された集電体で作られた30個のセルスタックについて測定された通流の不均一さを示しており、+/−15%以下の偏差があることを示す図である。
【図8】図8は、図2に示した従来の波形に成形された集電体で作られた30個のセルスタックについて測定された通流の不均一さを示しており、+/−30%以上の偏差があることを示す図である。
【図9】図9は、図1に示した波形に成形された集電体の形式を有する触媒エレメントおよびアノード集電体、ならびに図1に示した波形に成形された集電体の形式を有するカソード集電体であって、バイポーラ・セパレータ・プレートのそれぞれ反対側が隣接するように配置されており、当該セパレータ・プレート上で上記集電体たちの頂上領域の接触領域を説明するための図である。
【図10】図10は、図1の波形を付けられた集電体によって成される接触パターンが結果として分散が概ね均一になることを示す図である。
【図11】図11は、図2に示した従来の波形を付けられた集電体によって成される接触パターンが、結果として格子パターンのように高い圧力部と低い圧力部が生じてしまうことを示す図である。
【図12】図12は、図1の波形を付けられた集電体により作られた30個の燃料電池スタックについて測定された温度の分布であり、温度の範囲が70度Cであることを示す図である。
【図13】図13は、図2に示した従来の波形を付けられた集電体により作られた30個の燃料電池スタックについて測定された温度の分布であり、温度の範囲が99度Cであることを示す図である。
【図14】図14は、本発明の波形に成形された集電体を使用した燃料電池スタックの構成を示す図である。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to a technique for supporting a collector electrode in a fuel cell. In particular, the present invention relates to a corrugated current collector for a high temperature planar fuel cell that performs reforming therein.
[Background]
[0002]
A fuel cell is a device that converts chemical energy stored in a fuel such as hydrogen or methane directly into electrical energy through an electrochemical reaction. Fuel cells differ from traditional power generation methods that first burn fuel to produce heat, convert this heat into mechanical energy, and finally convert it into electricity. The more direct conversion process used by fuel cells has significant advantages over traditional means in both increasing efficiency and reducing emissions.
[0003]
In general, fuel cells, like batteries, comprise a negative (anode) electrode and an anode (cathode) electrode, separated by an electrolyte that functions to conduct electrically charged ions between them. Yes. However, in contrast to batteries, fuel cells can continue to produce electricity as long as fuel and oxidant can be supplied to the anode and cathode, respectively. To accomplish this, a gas flow field is provided adjacent to the anode and cathode through which fuel and oxidant are supplied. In order to produce sufficient power levels, a significant number of fuel cells need to be stacked in series. In that case, an electrically conductive separator plate is provided between the batteries.
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 4,548,876
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 4,983,472
[Patent Document 3]
US Pat. No. 5,795,665
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0004]
In a fuel cell that performs reforming internally, a steam reforming catalyst is disposed in the stack of the fuel cell. This is in order to eliminate the need for expensive and complicated external reforming equipment and to make it possible to use hydrocarbon fuel (for example, methane, coal gas, etc.) directly in the fuel cell. So far, two internal reforming formats have been used. Indirect internal reforming, which is one of them, is realized by arranging an isolated chamber in the stack and flowing the reformed gas from the chamber into the anode partition of each fuel cell. Another type of direct internal reforming is realized by placing a reforming catalyst in the anode partition during operation of each fuel cell. This catalyst is useful when reforming the fuel gas with steam generated by the electrochemical reaction of the fuel cell, and provides very high reforming efficiency and fuel utilization.
[0005]
The particular arrangement that can be used as the anode chamber and catalyst support is important for a number of reasons. The arrangement should be selected to minimize pressure drop in the fuel flow. This is because if a higher pressure is required, more auxiliary power is required and the system efficiency is reduced. Furthermore, for stacks with many fuel cells, it is ensured that each cell can enjoy the same fuel flow by reducing fluctuations in the flow restriction from cell to cell. As a result, each cell operates using the same fuel. The efficiency of the fuel cell stack is limited by the cell that receives the smallest fuel among the cells, so to achieve maximum fuel utilization and electrical efficiency of the fuel cell stack, the flow of fuel must be reduced. It is important to make it uniform.
[0006]
The main feature of the fuel cell with respect to the direct internal reforming catalyst is the useful life of the cell. As the cell is used, the activity of the reforming catalyst in the anode chamber decreases due to the contamination effect of the electrolyte vapor in the passage. This reduction in activity reduces catalyst efficiency and cell reforming efficiency. This also reduces the amount of reformed fuel that is imparted to the electrochemical reaction, thus reducing the electrical efficiency of the fuel cell. One way to improve reforming efficiency and cell life is to increase the mass of catalyst in the anode chamber, since the effectiveness of the catalyst is directly related to the mass of catalyst acting on the reforming. That is.
[0007]
Another important feature of the components used to form fuel cell oxidant flow sites is the ability to apply uniform pressure to the operating cell components. Uniform pressure is important to ensure uniform contact resistance in the operating area of the fuel cell and to reduce the probability that gaps will be formed between cell components during operation.
[0008]
Also, the direct internal reforming catalyst must be protected from electrolyte leakage from the adjacent anode containing the liquid electrolyte. One way to protect the catalyst is to design a corrugated current collector to act as a barrier for electrolyte migration from adjacent anode components by shielding the catalyst. .
[0009]
Many different component arrangements have been proposed and used by fuel cell manufacturers to provide fuel and oxidant flow paths and catalyst support for direct internal reforming fuel cells. It has been. U.S. Pat. No. 4,548,876 describes a corrugated current collector used for this purpose. In the current collector of the 876 patent, the particulate material is placed in the corrugated portion of the current collector and is used for diffusion and support. The particulate material faces the catalyst layer adjacent to the active electrode. The particulate material is preferably made of non-conductive alumina, but may contain the same material as that used in the catalyst layer. A significant portion of the active electrode is shielded by particulate material, and the arrangement is limited so that gas flows around the shielded area from the electrolyte.
[0010]
U.S. Pat. No. 4,983,472 describes a corrugated current collector having a plurality of corrugations forming recesses aligned in a grid pattern used on the cathode side of a fuel cell. This configuration shows that the current collector of the 876 patent is improved by allowing the gas to better reach the working electrode. However, this arrangement creates limitations when used in an anode chamber that contains a direct internal reforming catalyst in the form of an elongated solid element. Due to the grid pattern, these catalytic elements can only be mounted in a direction substantially perpendicular to the flow of fuel gas. This causes a high flow restriction and is susceptible to large variations in the flow restriction from cell to cell.
[0011]
In the current collector of the 472 patent, another disadvantage of using a grid pattern recess is that the corrugated legs are periodically nested through the bipolar plate when applied to both anode and cathode chambers. Therefore, a compression load having a larger lattice pattern is generated in the operation region of the fuel cell. This uneven pressure distribution causes variations in the contact resistance of the fuel cell.
[0012]
Another problem with using the current collector of the 472 patent relates to the flow path formed by placing the solid catalyst elements perpendicular to the flow direction. The resulting arrangement is characterized in that the flow resistance in the direction parallel to the main flow direction is substantially equal to the flow resistance in the perpendicular direction. This means that gas is generated in the region of the fuel cell that produces a high current, and further that the mixing within the fuel cell expands laterally. However, this tends to further supply fresh fuel that provides a high current density and temperature gradient in the fuel cell to the high current generation region in the fuel cell.
[0013]
According to US Pat. No. 5,795,665, an alternative to a corrugated current collector is described that combines a separator plate and a current collector to support a solid catalyst element and form a gas flow path. ing. According to this configuration, all the battery components are formed in a corrugated pattern to form a nested structure. However, as a result, a complicated operation is required to mold the fuel cell component. In addition, the space for the reforming catalyst element is limited.
[0014]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a novel waveform current collector that overcomes the drawbacks of the prior art design.
[0015]
It is also an object of the present invention to provide a corrugated current collector that allows direct internal reforming catalyst elements to be mounted substantially parallel to the primary flow direction of gas.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a corrugated current collector that makes it possible to maximize the space provided for the solid reforming catalyst element.
[0017]
Still another object of the present invention is to distribute pressure more evenly over the operating parts of the fuel cell.
[0018]
Still another object of the present invention is to provide a flow characterized by a high lateral resistance and a low longitudinal (axial) resistance to make the current and temperature distribution in the fuel cell more uniform. The object is to provide a corrugated current collector that provides an arrangement of flow fields.
[0019]
It is an object of the present invention to provide a corrugated current collector that better shields direct internal reforming solid catalyst elements from the electrolyte and separates the catalyst elements from the electrode containing the electrolyte.
[Means for Solving the Problems]
[0020]
In accordance with the principles of the present invention, the above and other objects are realized by a current collector having a series of waveforms arranged at intervals. The corrugation in a given row is such that a continuous top region and valley region are provided along a given row for the corresponding top region from row to row to contain and support the solid catalyst elements. A corrugated space sequence is constructed so that a passage can be established.
[0021]
In the embodiments of the present invention described below, for spaced waveform rows, a given pitch is provided between successive top regions in the row, and the tops of adjacent rows are provided. The area is configured to have a predetermined offset. In particular, the offset has a finite value and is selected to be no more than 50 percent of the pitch. This is so that a plurality of passages can be established for the solid catalyst element. Also, the offset is selected based on the size of the catalyst so that the catalyst element can be fitted into the waveform.
[0022]
The foregoing and other objects and aspects of the invention will become more apparent upon reading the detailed description with reference to the accompanying drawings.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0023]
FIG. 1 shows a current collector 1 formed into a waveform according to the principles of the present invention. As can be seen from the figure, the current collector 1 includes waveform rows 2-7 at intervals. In each waveform row, a top region P and a valley region V are formed along the length direction of the waveform. These are denoted by reference numerals P2 to P7 and V2 to V7, respectively, for the waveform train 2-7.
[0024]
Consecutive peaks within a given waveform row define a predetermined pitch in that row. In this case, the pitch of each row is equal, and is Pt. In addition, each of the waveform columns 2-7 is offset by a finite amount from the preceding waveform column and the subsequent waveform column, and this offset changes in the opposite direction from one column to the next. ing. Therefore, the waveform train 3 is offset to the right from the waveform train 2, and the waveform train 4 is offset to the left from the waveform train 3. In this case, all column-to-column offsets are O.
[0025]
According to the principles of the present invention, the offset “O” to the column is selected to be 50% or less of the pitch Pt. Using the offsets thus selected, the corrugations 2-7 define passages, each passage extending from row to row, and each passage contains a solid catalyst element. And is adapted to support.
[0026]
More specifically, as shown in FIG. 3, the waveform row 2-7 defines a passage 11-14 and accommodates and supports the solid catalyst elements 15. As shown in FIG. 3, the catalyst elements 15 are engaged by segments that form each corrugated passage. A series of segments into which the catalyst element 15 is fitted extend along the length of the catalyst element, thereby favorably supporting the catalyst element via the current collector 1.
[0027]
The catalyst element 15 is fitted into the passage and is arranged so as to cross the length direction of the corrugation by establishing the passage 11-14 by extending the corrugation row 2-7 across the length direction. Can do. The arrangement of the catalyst element 15 provides a remarkable effect. That is, when the catalyst element 15 uses the current collector 1 formed into the corrugated shape as the current collector on the anode side of the direct internal reforming fuel cell that functions as an internal reforming catalyst, a remarkable effect is produced. .
[0028]
In particular, when used as such a current collector on the anode side, the catalyst element 15 is arranged in parallel to the axial direction of the fuel gas. The free flow area can be expanded. The free flow area 16 is shown in FIG. The flow restriction for the fuel gas of the fuel cell is a function of the smallest free flow area available for the gas. Therefore, the free flow area 16 of the current collector 1 can significantly reduce the flow restriction of the fuel cell as compared with the configuration of the current collector formed into a conventional waveform.
[0029]
This can be understood by comparing the free flow area 16 of the current collector 1 with the free flow area of the conventional type corrugated current collector disclosed in the 472 patent. Such a conventional corrugated current collector 21 shown in FIG. 2 includes corrugated rows 22-27 in which the top region PP and the valley region VV form a lattice pattern. This lattice pattern is a result of selecting the waveform offset O1 from column to column to be equal to 50% of the pitch Pt1.
[0030]
As can be seen from FIG. 2 showing a conventional current collector 21 that is a current collector on the anode side, the solid catalyst elements 28 must be arranged along the length direction of the corrugated row. It will be arranged so as to cross the flow direction. As a result, the free flow area 29 is limited, as can be seen from the end of the conventional current collector 21 shown in FIG.
[0031]
Due to the limited free flow area 29, the flow limitation of the gas in the fuel cell using the conventional current collector 21 is almost four times that of the current collector 1 of the present invention. This is illustrated in FIG. FIG. 5 shows the pressure drop measured for current collector 1, shown in comparison with the pressure drop measured for conventional current collector 21.
[0032]
The current collector 1 of the present invention can be suitably formed from a single plate made of an appropriate material compatible with a specific fuel cell (for example, nickel-coated stainless steel manufactured by Inconel, etc.). The material is perforated by die-cutting and pressing with a mold, and a valley region or a leg region and a top region are formed. The depth in the drilling process determines the height of the gas flow field. In order to minimize the gas flow restriction, the arrangement of the valley regions is selected so that the cross-sectional region obstructed by the valley region is minimized in the gas flow axis direction.
[0033]
The size of the valley region and the stamped pattern is selected to provide sufficient strength under compressive loading and sufficient area for gas to reach the active electrode. Another consideration in determining the size of the valley region is to not oversize the active electrode so that it does not sink into the flow field.
[0034]
By selecting the pitch Pt and the offset O as described above, the advantageous effects described above can be obtained. Furthermore, placing the offset O on the diameter of the catalyst element 15 maximizes the diameter and mass of the catalyst, thereby maximizing the life of the fuel cell. As described above, the top region is formed such that the region 17 and the catalyst element 15 are fitted and fixed to the bipolar separator, and can be separated from the electrolyte including the electrode.
[0035]
The minimum free flow area 29 of the current collector 21 of the prior art can be significantly affected by the diameter of the catalyst and can be difficult to control at the manufacturing plant. The deviation of the flow restriction of the current collector 21 in the manufactured fuel cell will be serious. According to the current collector 1 of the present invention, the minimum free flow area 16 can be much less affected by the diameter of the catalyst, greatly reducing deviations in the flow restriction from cell to cell. Can do.
[0036]
FIG. 6 shows the result of performing a Monte Carlo simulation for predicting the flow restriction for a large number of cells using a randomly selected value with a general variance as input in a mathematical model of pressure drop. Is shown. The results show that for cells using current collector 1 of the present invention, the dispersion of the flow restriction from cell to cell is 5 to 6 times narrower than cells using current collector 21 of the prior art. ing.
[0037]
7 and 8 show the distribution of the flow for 23 fuel cell stacks, one using the current collector 1 according to the present invention and the other according to the prior art. The thing using the electrical power collector 21 is shown. These results experimentally prove that by using the current collector according to the present invention, the non-uniformity of the flow can be reduced by a factor of 2 to 3.
[0038]
As described above, the column-to-column offset O for the waveform of the current collector 1 formed into a waveform is from a finite value (ie, a value greater than 0 percent of the pitch Pt) to 50 percent or less of the pitch Pt. It can change to a value. The same applies to catalysts having different diameters. Moreover, if the offset O is 0% of the pitch, it is possible to use a catalyst having the maximum diameter, but this is not preferable for two reasons. First, since the catalyst is placed very close to the anode electrode of the fuel cell, the liquid electrolyte can potentially leak directly from the anode. Second, if the offset is 0%, the contact portion between the catalyst element 15 and the corrugation, which is useful for holding the catalyst, will be lost.
[0039]
Another important advantage of the corrugated current collector of the present invention is the desired distribution of contact achieved by the current collector. FIG. 9 shows current collectors 91 and 92 having a configuration similar to that of the current collector 1 of FIG. These are respectively used on the anode side and the cathode side of the bipolar plate 93 of the fuel cell. As can be seen from the figure, the anode-side current collector 91 supports a catalyst element 94 for internal reforming.
[0040]
As can be seen from FIG. 9, the configuration of the current collectors 91 and 92 aligns the top regions 92A, 92C, 92E, and 92G in the waveform row of the canode-side current collector 92 with the locations where they are in contact with the bipolar plate 93. The valley regions 91 </ b> A, 91 </ b> C, 91 </ b> E and 91 </ b> G in the waveform array of the anode-side current collector 91 are in contact with the bipolar plate 93. On the other hand, at the place where the valley regions 92B, 92D, 92F and 92H in the waveform array of the canode-side current collector 92 are not aligned with the place where the valley-side current is in contact with the bipolar plate 93, The valley regions 91B, 91D, 91F, and 91H of the waveform row are in contact with the bipolar plate 93.
[0041]
In the latter area where the corrugated trough region of the anode current collector and the corrugated trough region of the cathode current collector are not aligned, the separator plate 93 allows the structure to be flexibly bent. In the area of the current collector where the valley regions are aligned, pressure is applied to the separator 93 to strengthen the structure.
[0042]
10 and 11 show the flexibility of the current collector according to the present invention when compared with the area where the conventional current collector shown in FIG. 2 is used for the anode current collector and the cathode current collector, respectively. The pattern of a strong area and a strong area is shown. As can be seen from FIG. 10, the pattern formed by using the current collector according to the present invention is substantially uniform because the aligned points and the unaligned points are very scattered. I know that there is. On the other hand, as can be seen from FIG. 11, the pattern using the conventional current collector has a larger lattice pattern size. This alignment grid pattern increases the high pressure area (30) and the low pressure area (31) for the active fuel cell component.
[0043]
Another advantage of the current collector 1 according to the present invention is that the reforming catalyst can be arranged substantially parallel to the gas flow direction. By arranging the catalyst parallel to the gas flow direction, the lateral flow restriction is much higher than the axial flow restriction (see FIGS. 1, 3 and 4). However, by arranging the catalyst in a direction perpendicular to the flow, the lateral flow restriction is substantially the same as the axial flow restriction (see FIGS. 2, 9 and 10). Due to the difference in the lateral flow restriction, the temperature gradient of the fuel cell using the current collector according to the present invention is smaller than the temperature gradient of the fuel cell using the current collector according to the prior art.
[0044]
Furthermore, since the current is inevitably non-uniform over a wide area of the fuel cell, the gas generated in the anode chamber is also non-uniform. For fuel cells that use the current collector of the present invention, some of the generated gas will not easily expand sideways, so fresh fuel will be directed to a less current area in the fuel cell. Will be. In a fuel cell using a current collector of the prior art, the generated gas expands sideways, which causes more fresh fuel to be supplied to areas with high current, thereby increasing current imbalance. It will end up.
[0045]
The fuel cell using the current collector of the present invention shows a smaller temperature gradient than the fuel cell using the current collector of the prior art. This can be understood from the experimental data shown in FIGS. These figures show temperature gradients of 30 fuel cell stacks using the current collector 1 of the present invention and 30 fuel cells using the current collector 21 of the prior art. It is a thing. As can be seen from the figure, the temperature gradient of the fuel cell stack using the current collector according to the present invention is 70 ° C. at the maximum. On the other hand, the fuel cell stack using the current collector of the prior art has a temperature gradient of 99 degrees C at the maximum. Both operating conditions are the same.
[0046]
FIG. 14 shows a direct internal reforming fuel cell including fuel cells 101 and 102. The fuel cells 101 and 102 have a configuration in which a blue node current collector 91, a cathode current collector 92, and a bipolar plate 93 are laminated as shown in FIG. As can be seen, each fuel cell includes an anode section formed by the anode electrode 111, an anode current collector 91, and a bipolar plate 93. Each fuel cell similarly includes a cathode section including a cathode electrode 112, a cathode current collector 92, and a bipolar plate 93. Ultimately, each fuel cell includes an electrolyte member 113 disposed between the anode section 112 and the cathode section 112.
[0047]
In all cases, the above-described arrangements are merely illustrative of a number of specific embodiments that are representative of the application of the present invention. Numerous modified configurations can be employed in accordance with the principles of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
[0048]
FIG. 1 is a perspective view of a current collector formed into a waveform according to the principles of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a current collector formed into a conventional type of corrugation disclosed in the '472 patent.
FIG. 3 is a view showing an end portion of a current collector formed into a waveform shown in FIG. 1;
4 is a diagram showing an end portion of a current collector formed into the conventional waveform shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing measured values of pressure drop as a function of gas flow rate for the current collector shaped in the waveform of FIG. 1 and the prior art.
FIG. 6 is a diagram of current resistance of 5000 cells each using the current collector shaped into the waveform shown in the figure and the current collector shaped into the conventional waveform shown in FIG. 2; It is the figure which plotted estimation variance.
FIG. 7 shows the flow non-uniformity measured for 30 cell stacks made of current collectors shaped into the waveform of FIG. 1 and below +/− 15%. It is a figure which shows that there exists a deviation.
8 shows the flow non-uniformity measured for 30 cell stacks made of current collectors shaped into the conventional corrugations shown in FIG. It is a figure which shows that there exists a deviation of 30% or more.
9 is a view showing a catalyst element and an anode current collector having the form of a current collector formed into the waveform shown in FIG. 1, and a form of the current collector formed into a waveform shown in FIG. 1; FIG. 2 is a diagram for explaining a contact region of a top region of the current collectors on the separator plate, the cathode current collectors having a bipolar separator plate disposed on opposite sides of the cathode current collectors; It is.
FIG. 10 is a diagram showing that the contact pattern formed by the corrugated current collector of FIG. 1 results in a generally uniform distribution.
FIG. 11 shows that the contact pattern formed by the conventional corrugated current collector shown in FIG. 2 results in a high pressure portion and a low pressure portion like a lattice pattern. FIG.
12 is a temperature distribution measured for 30 fuel cell stacks made with the corrugated current collector of FIG. 1 and shows that the temperature range is 70 degrees C. FIG. FIG.
13 is a distribution of temperatures measured for 30 fuel cell stacks made with the conventional corrugated current collector shown in FIG. 2, with a temperature range of 99 degrees C. FIG. It is a figure which shows that it is.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a fuel cell stack using a current collector formed into a waveform according to the present invention.

Claims (19)

間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されている波形集電体であって、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるように、間隔を隔てなる該波形の列らが適合している波形集電体。Waveform current collector having a series of spaced waveforms arranged consecutively, with a continuous peak region and valley region established along the remaining rows by the waveforms in a given row A corrugated current collector in which the spaced rows of corrugations are adapted such that a passage for receiving and supporting the solid catalytic elements can be established by the rows and corresponding top regions of the rows body. 前記波形の列のぞれぞれの前記頂上領域らには、ピッチPtの間隔が設けられており、前記波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには量Oのオフセットが設けられている、請求項1に記載の波形集電体。The top regions of each of the waveform rows are provided with a pitch Pt, and the corresponding top regions of the rows of the waveform rows are offset by an amount O. The waveform current collector according to claim 1. 前記ピッチPtは、列と列で何れも同一であり、前記オフセットOは、列と列で何れも同一である、請求項2に記載の波形集電体。The waveform current collector according to claim 2, wherein the pitch Pt is the same in each row and the row, and the offset O is the same in each row. 前記オフセットの方向は、列と列では右から左へと交互に変わっている、請求項3に記載の波形集電体。The waveform current collector according to claim 3, wherein the direction of the offset is alternately changed from right to left in the columns. 前記オフセットは、前記ピッチPtの50%よりも小さくかつ有限の値である、請求項3に記載の波形集電体。The waveform current collector according to claim 3, wherein the offset is smaller than 50% of the pitch Pt and has a finite value. 前記通路のそれぞれに固体触媒エレメントをさらに備えている、請求項5に記載の波形集電体。6. The corrugated current collector according to claim 5, further comprising a solid catalyst element in each of the passages. 前記通路を確立している前記頂上領域らは、前記通路内に収容した前記固体触媒エレメントと係合している、請求項6に記載の波形集電体。The corrugated current collector according to claim 6, wherein the top regions establishing the passage are engaged with the solid catalytic element housed in the passage. 前記波形集電体は、穿孔加工されたプレートから形成されており、該プレートにおいて穿孔加工された領域は、前記谷領域を形成し、該穿孔加工された領域らの間の領域は、前記波形の列の前記頂上領域を形成する、請求項6に記載の波形集電体。The corrugated current collector is formed from a perforated plate, and a perforated region in the plate forms the valley region, and a region between the perforated regions is the corrugated region. The corrugated current collector of claim 6, wherein the corrugated current collector forms the top region of the row. 前記オフセットは、前記ピッチPtの50%よりも小さくかつ有限の値である、請求項2に記載の波形集電体。The waveform current collector according to claim 2, wherein the offset is smaller than 50% of the pitch Pt and has a finite value. 間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されている波形集電体であって、それぞれの前記列における前記頂上領域らは、同一のピッチPtで間隔をおいて配置されており、列と列で対応する前記頂上領域らは同一の量Oでオフセットされており、列と列の対応する前記頂上領域らによって、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を確立できるように、該オフセットOは、前記ピッチPtの50%より小さい有限の値である、波形集電体。Waveform current collector having a series of spaced waveforms arranged consecutively, with a continuous peak region and valley region established along the remaining rows by the waveforms in a given row The top regions in each row are spaced at the same pitch Pt, and the corresponding top regions in rows and columns are offset by the same amount O. The offset O is a finite value less than 50% of the pitch Pt so that a passage for accommodating and supporting the solid catalyst elements can be established by the corresponding top regions of the row and row, Waveform current collector. セパレータプレートと、該セパレータプレートに隣接して配置された波形集電体とを含むアノードセクションと、
通路のそれぞれに収容される固体触媒エレメントと
を含む燃料電池であって、
前記波形集電体は、間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されており、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるよう前記間隔を隔ててなる波形の列らが適合している、燃料電池。
An anode section including a separator plate and a corrugated current collector disposed adjacent to the separator plate;
A fuel cell comprising a solid catalyst element housed in each of the passages,
The corrugated current collector has a series of corrugated rows spaced apart, and the corrugation in a given row causes a continuous peak region and valley region along the remaining rows. A fuel cell, wherein the spaced corrugated rows are adapted so that a passage for establishing and supporting the solid catalyst elements can be established by the rows and corresponding top regions of the rows.
前記波形の列のぞれぞれの前記頂上領域らは、ピッチPtの間隔でもって配置されており、前記波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには量Oのオフセットが設けられており、該オフセットOは前記ピッチの50%より小さい有限の値である、請求項11に記載の燃料電池。The top regions of each of the waveform columns are arranged at intervals of a pitch Pt, and an offset of the amount O is provided in the top regions corresponding to the columns in the waveform columns. The fuel cell according to claim 11, wherein the offset O is a finite value smaller than 50% of the pitch. 前記通路のそれぞれに固体触媒エレメントをさらに備えている、請求項12に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 12, further comprising a solid catalyst element in each of the passages. 前記波形集電体は、穿孔加工されたプレートから形成されており、該プレートにおける穿孔加工された領域は、前記谷領域を形成し、該穿孔加工された領域らの間の領域は、前記波形の列の前記頂上領域を形成する、請求項13に記載の燃料電池。The corrugated current collector is formed from a perforated plate, and a perforated region in the plate forms the valley region, and a region between the perforated regions is the corrugated region. The fuel cell of claim 13, forming the top region of a row of カソードセクションと、
該カソードセクションと前記アノードセクションとの間に配置された電解質部材と
をさらに含む、請求項11に記載の燃料電池。
A cathode section;
The fuel cell of claim 11, further comprising an electrolyte member disposed between the cathode section and the anode section.
燃料電池システムであって、
セパレータプレートと、該セパレータプレートの第1の表面に隣接して配置された波形アノード集電体とを有するアノードセクションを含む第1の燃料電池と、
前記セパレータプレートの第2の表面に隣接して配置された波形カソード集電体を有するカソードセクションを含む第2の燃料電池と
を含み、
前記波形アノード集電体は、間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されており、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるように、間隔を隔てなる該波形の列らが適合しており、
前記波形カソード集電体は、前記波形アノード集電体の前記間隔を空けて配置された波形の列を横切るように配置され、かつ間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されており、列と列の対応する頂上領域らによって通路を確立できるように、該間隔を隔てなる波形の列らが適合している、燃料電池システム。
A fuel cell system,
A first fuel cell including an anode section having a separator plate and a corrugated anode current collector disposed adjacent to the first surface of the separator plate;
A second fuel cell including a cathode section having a corrugated cathode current collector disposed adjacent to a second surface of the separator plate;
The corrugated anode current collector has a series of corrugated rows spaced apart and a continuous top and valley region by the corrugations in a given row along the remaining rows. The spaced rows of corrugations are adapted so that a passage for containing and supporting the solid catalyst elements can be established by the rows and corresponding top regions of the rows;
The corrugated cathode current collector is arranged to traverse the spaced waveform rows of the corrugated anode current collector and has a series of corrugated rows spaced apart. The corrugation in a given row establishes a continuous summit region and valley region along the surplus row, so that a passage can be established by the row and the corresponding summit region of the row. A fuel cell system in which spaced rows of waveforms fit.
前記波形アノード集電体とカソード集電体に係る各波形の列の頂上領域らには、同一のピッチPtで間隔が設けられており、前記波形アノード集電体と前記カソード集電体に係る各波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには、量Oのオフセットが設けられており、該オフセットOは、ピッチPtの50%より小さい有限の値である、請求項17に記載の燃料電池システム。The top region of each waveform row related to the corrugated anode current collector and the cathode current collector is spaced at the same pitch Pt, and the corrugated anode current collector and the cathode current collector are related to each other. The corrugation corresponding to the top region of each waveform column is provided with an offset of an amount O, the offset O being a finite value less than 50% of the pitch Pt. The fuel cell system described. 前記通路のそれぞれに固体触媒エレメントをさらに備えている、請求項17に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 17, further comprising a solid catalyst element in each of the passages. 前記第1の燃料電池は、さらに、カソードセクションと、該カソードセクションと該第1の燃料電池のアノードセクションとの間に配置された電解質部材とを備え、
前記第2の燃料電池は、さらに、アノードセクションと、該アノードセクションと該第2の燃料電池のカソードセクションとの間に配置された電解質部材とを備える、
請求項16に記載の燃料電池システム。
The first fuel cell further comprises a cathode section and an electrolyte member disposed between the cathode section and the anode section of the first fuel cell;
The second fuel cell further comprises an anode section and an electrolyte member disposed between the anode section and the cathode section of the second fuel cell.
The fuel cell system according to claim 16.
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